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在量子科学与合成生物学的交叉前沿，一个核心难题长期存在，即如何让精密的量子传感器在生命体系温暖、嘈杂的环境中保持稳定功能。传统的固态量子传感器虽然性能优异，但难以无缝融入生物体系。

为此芝加哥大学研究团队提出了一个全新思路，直接利用细胞自身的分子合成机制，让细胞表达具备量子特性的蛋白质，从而绕过外源探针递送的障碍。这一方案首次将增强型黄色荧光蛋白转化为可工作的自旋量子比特，标志着生命系统内部量子探测的可能性被真正打开。该研究成果以“A fluorescent-protein spin qubit”为题发表在 Nature 期刊。

研究团队的突破在于重新定义了荧光蛋白的用途。绿色荧光蛋白家族长期作为分子标记工具广泛应用，而增强型黄色荧光蛋白因其优良的光学性质和可遗传表达特性成为理想候选。不同于以往仅将其视为荧光标签，本研究深入挖掘了该分子发色团的量子力学属性。EYFP 存在一个亚稳态的三线态，该能态携带可作为量子比特的自旋信息，但其寿命较长且易受环境噪声影响，直接在室温下进行读出极为困难。

为此，研究团队发展了一种光学激活延迟荧光的读出策略，使用近红外激光脉冲将分子从三线态激发至更高能态，通过快速反向系间窜越过程发射延迟荧光光子，而光子数量依赖于自旋态，从而实现了自旋信息的转化和探测。这一方法使得读出速度提升三个数量级，并有效抑制了细胞背景荧光干扰，为在复杂环境中实现量子信息读出提供了解决方案。

图 | EYFP 的光物理特性与 OADF 读出机制，显示三线态自旋依赖的延迟荧光信号

在纯化蛋白条件下，研究团队首先验证了 EYFP 量子比特的基本性能。在液氮温度下，他们利用微波驱动实现了约 20% 的自旋对比度，并通过 Hahn 回波实验获得 1.5 微秒的相干时间。进一步采用包含数百个 π 脉冲的动力学解耦序列，将相干时间显著延长至 16 微秒，表明该体系的量子态能够在一定程度上抵御环境噪声并被有效保护。这些结果确立了 EYFP 作为可控量子比特的基础。

在验证单分子层面的量子行为后，研究团队进一步探索了其在细胞环境中的表现。他们在 HEK293T 细胞和大肠杆菌中成功表达 EYFP，并在低温条件下获得清晰的磁共振信号和 Rabi 振荡，说明复杂的细胞环境并未破坏量子特性。更具突破意义的是，在室温下的大肠杆菌细胞中依然检测到高达 8% 的磁共振对比度，这是首次在活细胞、室温条件下实现量子信号的观测。之所以能够实现这一点，得益于光学激活延迟荧光方法在抑制背景噪声方面的高效表现。

图 | EYFP 量子比特的相干操控，展示 Rabi 振荡和 Hahn 回波结果

在进一步的实验中，研究团队研究还演示了在室温溶液环境中，利用该量子比特进行直流磁场探测的能力，其灵敏度达到 2.7 mT Hz-1/2。这虽然与钻石量子传感器的最佳水平仍有差距，但作为遗传编码的内源性量子探针，其在生物体系内的兼容性具有无可比拟的优势。这意味着未来有可能直接在活体内实现蛋白质构象监测、分子相互作用探测甚至多通道量子成像。

该研究首次实现了细胞自身表达的自旋量子比特，解决了外源探针递送的长期难题，并证明量子效应能够在复杂的细胞环境中保持稳定并被读出，为活体量子成像奠定了基础。这一成果不仅揭示了荧光蛋白潜在的量子功能，还展示了其作为平台技术的广阔前景。EYFP 只是家族中的一员，未来通过蛋白质工程和定向进化，有望获得相干时间更长、信噪比更高的变体，甚至构建不同能级结构的多色量子比特体系，从而实现多路并行成像与更复杂的生命过程解析。

尽管技术仍处于早期阶段，室温灵敏度、光稳定性和读出效率仍有限，但改进路径已经清晰。氘代环境可降低噪声源，光学路径优化有助于提升光子收集效率，定向进化则能赋予蛋白质更优的量子特性。随着这些策略的推进，基于遗传编码的蛋白量子比特有望逐步接近甚至超越固态传感器的性能。芝加哥大学的工作不仅建立了一种全新量子传感平台，更开启了量子物理与合成生物学深度融合的新纪元，也为量子生物学的发展奠定了方向。

参考链接：

1.Feder, J.S., Soloway, B.S., Verma, S. et al. A fluorescent-protein spin qubit. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09417-w

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